http://dx.doi.org/ 10.5515/KJKIEES.2013.24.3.239 ISSN 1226-3133 (Print)
의료용 무선 중계 시스템용 이중 대역 인체 부착형 안테나 설계
Design of a Dual-Band On-Body Antenna for a Wireless
Medical Repeater System
권 결․탁 진 필․최 재 훈 Kyeol Kwon․Jinpil Tak․Jaehoon Choi
요 약
본 논문에서는 MICS(Medical Implant Communication Service, 402～405 MHz)와 ISM(The Industrial, Scientific and Medical, 2.40～2.485 GHz) 대역에서 동작하는 의료용 무선 중계 시스템을 위한 이중 대역 인체 부착형 안테 나를 제안하고, 인체의 영향을 고려한 안테나 성능에 대한 분석을 하였다. 제안된 안테나는 ISM 대역에서 동작
하는 윗면의 패치와 MICS 대역에서 동작하는 바닥면의 패치로 구성되어 있다. 안테나가 실제 인체에 착용되어
사용되는 상황을 고려하고, 인체가 안테나에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모의 인체를 이용하여 시뮬레이션 과 측정을 수행하였다. 제안된 안테나의 반사 손실은 MICS 대역과 ISM 대역에서의 요구 대역폭을 만족하였고, 측정된 최대 이득은 MICS 대역과 ISM 대역에서 각각 —12.47 dBi, 1.71 dBi이었다. 제안된 안테나의 방사 패턴은 MICS 대역에서 인체 내부 지향성, ISM 대역에서 인체 외부 지향성을 가지며, 반사 손실 특성은 인체의 영향에 매우 둔감하므로 의료용 무선 중계 시스템용 인체 부착형 안테나로 활용되기에 적절할 것으로 사료된다.
Abstract
In this paper, a dual-band on-body antenna operating at MICS and ISM band for a wireless medical repeater system is proposed and the antenna performance including the human body effect is investigated. The designed dual-band antenna is comprised of a top patch for ISM band and bottom patch for MICS band. Simulation and measurement was carried out in order to analyze the effects of human body on antenna performance considering real use. The proposed antenna has required impedance bandwidth enough to cover both MICS and ISM bands. The measured peak gains were —12.47 dBi and 1.71 dBi at the each center frequency of MICS and ISM bands, respectively. Furthermore, the antenna has the maximum radiation directed toward the inside of the human body in the MICS band and directed toward the outside in the ISM band. In addition, the return loss property of the antenna is insensitive to human body effects so that the proposed antenna is well suited for the on-body wireless medical repeater system.
Key words : Dual Band, On-Body Antenna, Wireless Medical Repeater System
「본 연구는2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2012-0005655).
한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(Department of Electronics and Computer Engineering, Hanyang University)
․Manuscript received November 30, 2012 ; Revised January 28, 2013 ; Accepted February 26, 2013. (ID No. 20121130-16S)
․Corresponding Author : Jaehoon Choi (e-mail : [email protected])
Ⅰ. 서 론
최근IT와 BT의 개발에 따른 기술 융합이 주목을
받으면서, WBAN(Wireless Body Area Network)에 관 한 관심이 증가하는 추세이다. WBAN은 의복이나 인체 내․외부에 부착된 여러 기기들로 구성된 무선
네트워크로 인체를 중심으로 센서와 구동체 간의 결 합을 통해 통신이 이루어지는 새로운 유형의 네트워 크이다[1]. WBAN은 의료 서비스, 국방 및 착용형 컴 퓨터 등 다양한 분야에 적용이 가능하며, 특히 의료 용 이식형 통신 서비스(MICS) 및 ISM 대역 주파수 를 사용하는 모니터링 서비스에 많은 연구가 이루어 지고 있다[2]～[6].
의료용 이식형 기기는 환자의 건강상태를 모니터 링하기 위하여 체내로부터 수집된 생체 정보를 외부 의 기기로 무선 전송한다[7]. 그러나 의료용 이식형 기기는MedRadio 대역의 25 uW ERP 제한 규정으로 인하여 매우 낮은 출력 전력 레벨을 가져야만 한다
[8]. 또한, 유전율과 도전율이 높은 인체가 안테나를 감싸고 있기 때문에 안테나의 입력 임피던스와 공진 주파수를 변화시킬 뿐만 아니라, 방사 효율이 열화 되어 신뢰 가능한 전송 거리가 매우 짧다는 문제가 있다. 그러므로 MICS 대역의 이식형 기기로부터 생 체 정보를 받아ISM 대역의 외부 기기로 전송하는 착용형 중계 시스템이 마련된다면 이와 같은 문제를 개선할 수 있을 것으로 생각된다.
본 논문에서는 MICS 대역과 ISM 대역에서 동작 하는 의료용 무선 중계 시스템용 안테나를 제안하였 다. 제안된 안테나는 MICS 대역에서 인체 내부 지향 성, ISM 대역에서 인체 외부 지향성을 가진다. 또한, 안테나의 반사 손실 특성이 인체의 영향에 매우 둔 감하도록 설계되었다. 인체의 특성을 고려하기 위하 여 제작한 준고체형 모의 인체와torso 팬텀에 안테 나를 부착하고, 안테나의 반사 손실, 방사 패턴, 전 자파흡수율(Specific Absorption Rate: SAR)과 같은 성 능 측정 및 검증을 진행하였다.
Ⅱ. 안테나 설계
그림1은 제안된 의료용 무선 중계 시스템용 이중 대역 인체 부착형 안테나의 구조를 나타낸다. 제안된 안테나는 인체 부착성을 고려한 크기인 40×40×1.6 mm3인FR-4 유전체(εr=4.4, loss tangent=0.02) 기판 2장이 적층된 형태로서 50 Ω SMA 커넥터를 이용하 여 급전하였다. 제안된 안테나는 인체 표면에 위치 하면서MICS(402～405 MHz) 대역에서 동작하는 이 식형 기기로부터 생체 정보를 받아 ISM(2.4～2.485
GHz) 대역에서 동작하는 외부의 모니터링 기기로 전송하거나, ISM 대역에서 외부의 모니터링 기기로 부터 입력된 명령을MICS 대역에서 이식형 기기로 전달하는 착용형 중계 시스템에 이용될 수 있다. 즉, 제안된 안테나는SMA 커넥터를 통해 이중 대역 착 용형 중계 시스템과 접속되어 있으며, ISM 대역에서 동작하는 윗면의 패치와 MICS 대역에서 동작하는 아랫면의 패치로부터 이중 대역 공진 특성을 갖는 다. 그림 1(a)은 제안된 안테나의 윗면의 패치를 나
(a) 윗면 (a) Top plane
(b) 중앙 접지면 (b) Central ground plane
(c) 바닥면 (c) Bottom plane 그림 1. 제안된 안테나의 구조
Fig. 1 . Configuration of the proposed antenna.
타내며, 그림 1(b)의 중앙 접지면을 이용하여 개구 결합 급전(aperture-coupled feed)의 형태로 전계가 여 기된다[9]. 그림 1(c)는 바닥면을 나타내며, 바닥면의 접지면은 그림1(b)의 중앙 접지면과 커넥터의 외부 도체를 통해 상호 접속되어 있다. 또한, 바닥면의 패 치는 인체 부착성을 고려한 소형 단말기가MICS 대 역에서 인체 내부에 이식된 무선기기와 통신할 수 있도록 전기적 크기가 작은 영차 공진 안테나로 구 성하였다. 바닥면의 패치는 CPW(Coplanar wavegui- de)와 연결되며, 패치와 접지면을 33 nH을 갖는 칩 인덕터로 연결하여 영차 공진을 발생시킨다. 바닥면 의 패치와 접지면 사이의 간격은 병렬 커패시턴스 (CR), 칩 인덕터는 병렬 인덕터(LL)로 모델링이 가능 하며, 이 두 가지 파라미터는 식 (1)에서 영차 공진 주파수를 결정짓게 된다[10].
(1) 적절한 인덕턴스 값을 갖는 칩 인덕터를 선택함 으로써 병렬 인덕턴스(LL)를 결정하여 안테나의 영 차 공진주파수를 선택하고(major tuning), 바닥면의 패치와 접지면 사이의 간격을 조정함으로써 병렬 커 패시턴스(CR)를 변화시켜 영차 공진 주파수를 목표 대역에 맞게 조정할 수 있다(minor tuning). 또한, 패 치의 너비와 길이를 조정하면 안테나의 입력 임피던 스를 변화시킬 수 있으므로 시뮬레이터 툴을 이용하 여 안테나의 설계 파라미터를 최적화할 수 있다. 설 계된 패치의 영차 공진 주파수를 결정하는 주 설계 변수가 유전체의 유효 파장 길이가 아닌 칩 인덕터 의 인덕턴스 값이기 때문에 바닥면의 패치는 매우 작은 전기적 크기(0.027 λ0×0.008 λ0 @ 403.5 MHz) 를 가지며, 높은 유전율을 갖는 인체가 공진 주파수 에 미치는 영향이 작다. 그러므로 이러한 영차 공진 안테나는 인체 부착성을 고려한 통신기기에 적용할 때 이점이 있다.
그림1(b)의 중앙 접지면이 윗면의 패치와 바닥면 의 급전 구조 및 패치를 격리하기 때문에ISM 대역 에서 인체가 안테나 윗면의 패치에 미치는 영향이 적고, 인체 외부 지향성을 가지게 된다. 한편, MICS 대역에서는 중앙 접지면이 바닥면 패치가 인체 내부 지향성을 갖도록 인체 외부 방향으로의 방사를 억제
하므로, 제안된 안테나가 의료용 무선 중계 시스템 의 시나리오에 적합한 방사 패턴을 가질 수 있게 하 는 역할을 한다.
Ⅲ. 시뮬레이션 및 제작 결과
그림2는 제안된 안테나의 시뮬레이션을 위한 성 능 측정 환경을 나타낸다. 제안된 안테나의 실제 사 용 환경을 고려하기 위하여 안테나는 270×200×70 mm3인 모의인체(팬텀) 위 5 mm에 위치시키고, 모의 인체의 유전변수에는FCC의 지침을 따른 표 1의 값 을 대입하여 주파수 변화에 따른 안테나 성능 변화 를 분석하였다[11]. 제안된 안테나의 설계와 시뮬레이 션은FEM(Finite Element Method) 기반 상용 소프트 웨어인 ANSYS사의 HFSS v.14.0.0을 사용하였다[12]. 그림3(a)는 제안된 안테나의 반사 손실 시뮬레이그림 2 . 모의 인체를 이용한 시뮬레이션 셋업 Fig. 2 . Simulation setup using body phantom.
표 1. 시뮬레이션에 사용된 모의 인체의 유전변수 Table 1 . Dielectric parameters for body phantom.
Target frequency(MHz)
Relative permittivity(ε
r)
Conductivity (σ)
150 61.9 0.80
300 58.2 0.92
450 56.7 0.94
835 55.2 0.97
900 55.0 1.05
915 55.0 1.06
1,450 54.0 1.30
1,610 53.8 1.40
1,800～2,000 53.3 1.52
2,450 52.7 1.95
3,000 52.0 2.73
션 결과를 나타낸다. 안테나 가까이에 인체가 존재 하여도 반사 손실 특성이 매우 둔감한 것을 확인할 수 있다. 이는 MICS 대역에서 제안된 안테나의 영차 공진 주파수가 안테나 주변 매질의 전기적 성질 변 화보다는 칩 인덕터의 인덕턴스에 의해 결정되기 때 문이며, ISM 대역에서 중앙 접지면이 윗면의 패치와 인체를 격리하는 구조에 기인한 것이다[13].
그림3(b), (c)는 제안된 안테나의 각 동작 주파수 에서 유전체 기판에 형성되는 전계 벡터 분포 시뮬레 이션 결과를 나타낸 것이다. MICS 대역의 중심 주파
(a) 반사 손실 시뮬레이션 결과 (a) Simulated return losses
(b) 전계 분포 시뮬레이션 결과(403.5 MHz) (b) Simulated E-field distribution at 403.5 MHz
(c) 전계 분포 시뮬레이션 결과(2,450 MHz) (c) Simulated E-field distribution at 2,450 MHz 그림 3. 제안된 안테나의 반사 손실 및 전계 분포 시
뮬레이션 결과
Fig. 3. Simulated return losses and electric field distri- butions of the proposed antenna.
수인 403.5 MHz에서는 바닥면의 패치에서 영차 공 진이 발생하므로 전계 벡터 분포가 동위상으로 나타 나지만, ISM 대역의 중심 주파수인 2,450 MHz에서 는 패치 안테나의 기본 동작 모드인TM10 모드에서 발생하는 180° 역위상을 확인할 수 있다.
그림4(a)는 제작한 안테나의 사진이며, 그림 4(b) 에 안테나의 성능 측정에 이용된 두 종류의 모의 인 체가 나타나 있다. 표 1의 450 MHz와 2,450 MHz의 유전 변수값을 갖는 준고체형 모의 인체를 제작하 고, SPEAG사의 Torso Phantom V5.1을 이용하여 제 안된 안테나의 성능 검증을 진행하였다[14],[15]. 그림 4 (c)는 제안된 안테나의 방사 패턴을 측정하기 위하 여 구성한 환경으로, 스티로폼(εr=1) 조각을 이용하 여 시뮬레이션과 동일하게 안테나와 모의 인체 간의 이격 거리를 5 mm로 고정하였다.
그림5는 제작된 안테나의 반사 손실 측정 결과를 나타낸다. 측정된 안테나의 반사 손실은 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 값을 가지며10 dB 임피던스 대 역폭은MICS 대역에서 7 MHz(400～407 MHz), ISM 대역에서 85 MHz(2,400～2,485 MHz)이다. 제안된 안테나의 반사 손실 특성은 서로 다른 사용 환경에 서도 MICS 대역과 ISM 대역에서 매우 둔감한 것을 확인할 수 있다.
제작한 안테나의 방사 패턴 측정값을 그림6에 나 타내었다. 그림 6(a)는 MICS 대역(403.5 MHz)에서의 3-D 방사 패턴으로서, 최대 이득은 인체 내부 방향 으로 —12.47 dBi이다. 그림 6(b)는 ISM 대역(2,450 MHz)에서의 3-D 방사 패턴이며, 최대 이득 값은 인 체 수직 바깥 방향인+z축 방향으로 1.71 dBi이다. 그 림6(c)는 각 동작 주파수에서의 2-D 방사 패턴을 비 교한 것으로 xz 평면과 yz 평면의 이득값이 나타나 있다. 제안된 안테나가 MICS 대역에서 부분적으로 인체 외부지향성을 갖는 가장 큰 이유는 인체가 갖 는 가장 큰 이유는 인체가 갖는 도전율에 의한 반사 성분에 기인한 것으로 보인다(σ=0.94 S/m @ 450 MHz).
그러나 최대 방사 방향이 인체 내부를 지향하고 있으며, ISM 대역에서는 인체 외부 지향성이 뚜렷하 므로 인체 부착형 중계기용 안테나로 이용되기에 적 합할 것으로 사료된다.
무반향 챔버에서 측정한 결과, 제안된 안테나가
(a) 제작된 안테나(좌: 윗면, 우: 바닥면)
(a) Fabricated antenna(left: top plane, right: bottom plane)
(b) 반사 손실 측정 환경(좌: 제작한 팬텀, 우: 상반신 팬텀)
(b) Measurement setup(left: fabricated phantom, right: torso phantom)
(c) 방사 패턴 측정 환경
(c) Radiation pattern measurement setup 그림 4. 제작된 안테나와 성능 측정 환경
Fig. 4. Fabricated antenna and performance measure- ment setup.
제작된 준고체형 모의 인체에 부착되었을 때, 403.5 MHz, 2,450 MHz에서 방사 효율은 각각 1.92 %, 35.85
그림 5. 제작된 안테나의 반사 손실 측정 결과 Fig. 5. Measured return losses of the fabricated antenna.
%이며, 평균 이득은 각각 —17.17 dBi, —4.46 dBi이다.
SAR은 인체 주변에서 동작하는 무선기기를 설계 할 때 고려해야 할 중요한 요소 중에 하나이다. 그림 7(a)에 나타나 있는 전파연구원의 ESSAY Ⅲ system 을 이용하여 각 동작 주파수에서SAR 측정을 진행 하였다[16]. 신호발생기를 이용하여 제안된 안테나 에MICS 대역(403.5 MHz)과 ISM 대역(2,450 MHz)에 서 휴대전화의SAR 측정에 사용되는 기본 설정값인 250 mW를 인가하였다. 그림 7(b), (c)에 측정된 SAR 분포가 나타나 있다. 403.5 MHz 대역에서는 윗면의 패치 중앙 아래에서 핫스팟이 발생하였으며, SMA 커넥터와 급전선이 연결된 부분에서도 전계가 측 정되었다. 2,450 MHz 대역에서는 윗면의 패치 중앙 아래에서 핫스팟이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
403.5 MHz와 2,450 MHz에서 1 g 평균 최대 SAR는 각각 0.977 W/kg, 7.237 W/kg이며, ANSI/IEEE 기준 사지 노출량인1.6 W/kg을 고려하면 최대 인가 전력 은 각각 409.416 mW, 55.271 mW가 된다[17].
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 의료용 무선 중계 시스템을 위한 이중 대역 인체 부착형 안테나를 제안하였다. 제안 된 안테나는ISM 대역에서 동작하는 윗면의 패치와 MICS 대역에서 동작하는 바닥면의 패치로 구성되 어 있다. 제안된 안테나의 반사 손실은 MICS(402～
405 MHz) 대역과 ISM(2.4～2.485 GHz) 대역에서의
(a) 3차원 방사 패턴(403.5 MHz)
(a) 3-dimenstional radiation pattern at 403.5 MHz
(b) 3차원 방사 패턴(2,450 MHz)
(b) 3-dimenstional radiation pattern at 2,450 MHz
(c) 2차원 방사 패턴(403.5 MHz, 2,450 MHz) (c) 2-dimenstional radiation patterns at 403.5 MHz and
2,450 MHz
그림 6. 각 공진 주파수에서 측정된 방사 패턴 Fig. 6 . Measured radiation patterns at each resonance
frequency.
(a) SAR 측정에 사용된 ESSAY Ⅲ (a) ESSAY Ⅲ for SAR measurement
(b) 측정된 SAR 분포(403.5 MHz)
(b) Measured SAR distribution at 403.5 MHz
(c) 측정된 SAR 분포(2,450 MHz)
(c) Measured SAR distribution at 2,450 MHz 그림 7. 각 공진 주파수에서 측정된 SAR 분포 Fig. 7. Measured SAR distributions at each resonance
frequency.
10 dB 대역폭을 만족한다. 최대 이득과 방사효율은 MICS 대역(403.5 MHz)에서 —12.47 dBi, 1.92 %이며, ISM 대역(2,450 MHz)에서 1.71 dBi, 35.85 %이다. 제 안된 안테나는 인체 부착성을 고려하여 40×40×3.2 mm3의 크기로 설계하였으며, MICS 대역에서 인체 내부 지향성, ISM 대역에서 인체 외부 지향성을 가 질 뿐만 아니라, 반사 손실 특성이 인체의 영향에 매 우 둔감하므로 의료용 무선 중계 시스템용 이중 대 역 인체 부착형 안테나로 활용이 가능할 것으로 보 인다.
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권 결
2010년 2월: 건국대학교 전자공학 과 (공학사)
2010년 3월～현재: 한양대학교 전자 컴퓨터통신공학과 석․박사 통합 과정
[주 관심분야] WBAN, 안테나 설계, Metamaterial
탁 진 필
2011년 2월: 경기대학교 전자공학 과 (공학사)
2012년 3월～현재: 한양대학교 전자 컴퓨터통신공학과 석․박사 통합 과정
[주 관심분야] WBAN, 안테나 설계, 무선전력전송
최 재 훈
